创作声明:本文为虚构创作,请勿与现实关联
1978年,他的学生在美国被导师追问:「周毓麟去哪了?」——没有人能回答。 中国第一颗原子弹能够爆炸,有一道死关卡了整整九个月。
这个数学家用一套方程式撬开了它,然后从学术界消失了二十年。
01
1923年2月,上海大沽路。
这条弄堂不宽,两侧石库门挨着石库门,早晨有卖豆腐脑的小贩推车经过,铜铃声从弄堂这头传到那头。
周世铭住在这里,钱庄的普通职员,每天出门前把长衫捋得平整,夹着账本去上班。
他的儿子,取名毓麟。
周毓麟两岁多时,父亲闲下来爱出算术题考孩子。
有一天出了道进位加法,小毓麟扳着手指算,十根指头掰了又掰,急得叫起来:
「谁借我几个指头?」
一屋子人笑了。周世铭没笑,盯着儿子看了一会儿——这孩子在真正思考进位,不是撒娇。
往后几年,父亲换着花样出题。
有一回出了道鸡兔同笼,小毓麟很快算出来了。
父亲把数字升级,问头和脚各一百,他就站在那里皱眉,一声不吭想了很久,答不上来。
上了初中,学了一元一次方程,放学回家书包还没放下,小毓麟就冲着屋子喊:
「鸡兔同笼我会算了!」
他把方程式写给父亲看。父亲看不懂,认认真真看完,点了点头。
1938年,周毓麟进入大同大学附属中学高中部。
这所学校有个特点,除国文课外其余全用英文教材,数理化课程分量极重。
周毓麟数学物理分数一路拔尖,课本里的内容不够,自己翻参考书推导定理。
高中三年,他编了三本几何小册子,从定理到例题,连插图都画得工整细致,装订也细致精美。
小册子的前言里,他写了一句话:
数学使我着迷,着迷到无法自拔,它对我的影响,罄竹难书。
这是一个十七岁少年写的,不是抒情,是陈述。
1941年夏,高中毕业,周毓麟要填报志愿。同班好友朱葆德拉着他劝:
「数学这碗饭不好吃,出来最多当个中学教师,坐冷板凳。学工科,好找工作。数学嘛,业余搞搞就行了。」
周毓麟听完,还是报了大同大学数学系。
进大学后,他把数学系课程读完,又把物理系课程读了一遍。数学和物理在他眼里从来就是一件事。
1945年6月,周毓麟毕业,赶上战后就业最乱的一段时间。几经周折,他去南京临时大学数理补习班做了助教。这份工作没多久就撤了。
1946年,他回到上海,听说著名数学家陈省身正在中央研究院数学研究所讲课,他二话不说就骑着自行车去了,在门口问能不能旁听。
周毓麟就这样去了研究所旁听。
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02
陈省身在国际数学界是顶尖人物,研究微分几何。
他在中研院数学所讲课,同期旁听的有吴文俊、张素诚、叶彦谦,后来都成了中国数学界的重要人物。
周毓麟每次去,坐前排,一堂课不落。听课时从不记笔记,下课后凭记忆把推导过程默写出来,写不下去就从头再推。
一个月后,陈省身在走廊里遇到他,停下来问:
「我讲的东西,你听得懂吗?」
「听得懂。」
陈省身问他大学数学学得怎样,周毓麟说别的功课有时拖后腿,但数学每年总平均在九十分以上。
陈省身又问做过研究没有,周毓麟说没有,想了想补了一句:高中时出于兴趣编过三本几何小册子。
陈省身让他把小册子带来看。
周毓麟第二天就带来了。小册子不大,定理到证明结构清晰,批注密密麻麻,有些地方用不同颜色的笔标出来。
两周后,陈省身通知周毓麟到数学所上班。
这个安排在所里引起了议论——周毓麟既非名校毕业,又没发表过论文,就这么进来了。
陈省身没有解释,周毓麟也不管闲话,低头做自己的事。
他负责管理图书馆。这份工作旁人看来无聊,周毓麟觉得是便宜——整个所里最新的数学期刊全在他手边。
他高中学过打字,给图书馆打目录卡片,也给自己要研究的资料打出来。
每天跟着陈省身学习之外,其余时间全在图书馆看书,没有节假日的概念。
陈省身教拓扑学。「拓扑」这个中文译名就是他起的,他还开玩笑说,搞数学要像和尚托钵化缘,坐得住,耐得烦,潜心苦修。
周毓麟跟着学,沉了进去。
有一次陈省身找他谈话,指出他推导过程里几处错误,有些很隐蔽,不是粗心,是理解上的偏差。
周毓麟回去从头推了一遍,第二天再来听课,陈省身讲的东西突然清晰了许多。
他后来跟学生回忆那次谈话,说谈完之后感觉开了窍——此后遇到再难的题目,心里总有一个底:只要肯下功夫,给我一年,总能摸到门道。
1948年,周毓麟在《清华大学科学报告》上发表第一篇论文,题目是《关于可微流形的可定向性》,与陈省身联名。
同年在南京举行的全国数学大会上,他报告了关于实二次超曲面同调性质的研究,台下有人认真记笔记。
那年他二十五岁。
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03
1948年下半年,局势急转。
中央研究院决定迁往台湾,数学所开始打包。同事们纷纷收拾行李,有人去台湾,有人联系美国的学校。
陈省身打算去美国,要带周毓麟一起,路费和留学费用都帮他打点好了。
周毓麟谢绝了。
他没有长篇大论,只说了一句:
「我的事业在国内。」
说完继续收拾图书馆的东西。陈省身劝了几次,回答始终一样。陈省身了解这个学生的性格,知道说定了不会变,最终没有再坚持。
1949年9月30日,周毓麟携妻子徐明月坐火车北上,到了清华园。次日,新中国成立。
他在清华大学数学系做助教,继续研究拓扑学。
1952年院系调整,转到北京大学数学力学系任讲师。华罗庚、段学复都看过他的论文,评价很高。
他在北大教书,同时做拓扑学研究,独立发表了一篇四十多页的同伦群研究论文,在当时国内是相当扎实的工作。
1954年,一个新的任务打断了他的计划。
国家选派一批学者赴苏联留学,北大推荐了周毓麟。通知里写明学习方向:偏微分方程。
偏微分方程和拓扑学差得很远。周毓麟在拓扑学上已做出成果,换跑道意味着从头开始。
他没有提出异议。国家认为偏微分方程对工程建设更有用,他就学偏微分方程。在北京俄语专科学校学了一年俄语,1954年9月动身赴苏,到了莫斯科大学。
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04
莫斯科大学主楼矗立在列宁山上,是斯大林时代留下的建筑,高大、对称,走廊很长。
周毓麟的导师是奥列依尼克,苏联女数学家,非线性偏微分方程领域的顶尖人物。她头一次带中国学生,不确定能不能跟上进度,第一次考试前一周就来问周毓麟准备得怎么样了。
考试结果让她放了心。
课程排得很紧,差不多两三个月学完一门,接着考试。周毓麟的习惯和在上海时一样,每天第一个到图书馆,最后一个走。他在莫斯科几乎没有娱乐,周末也在图书馆,把要看的文献一篇一篇读完,做笔记,推公式。
有一次考试,出了一道偏微分方程里的难题。周毓麟在草稿纸上试了几条路,都走不通。快到时间了,他想到了拓扑学里的不动点定理,试着用这个定理来处理。
这是两个完全不同的领域。他把推导写完,递上去,答案对了。
主考老师把这份答卷单独拿给奥列依尼克看。奥列依尼克看了一遍,又看了一遍,把周毓麟叫来,让他当面再推一次。
周毓麟当场推完。
这个证法让奥列依尼克记住了——这个中国学生带着自己原来的积累,走了一条完全意想不到的路径,钻进了一个新领域。
周毓麟在莫斯科大学期间,与奥列依尼克合作研究渗流方程,发现了一个重要性质:渗流方程的解,关于扰动的传播速度是有限的。这个结论在当时出人意料,物理和工程上都有应用价值。论文发表后,国际数学界将其列为这个领域的经典性工作,往后几十年里反复被人引用。
1957年,周毓麟通过论文答辩,获得物理数学副博士学位。同年2月,他在莫斯科加入了中国共产党。
当年夏天,他坐国际列车回北京,回到北京大学,开设非线性偏微分方程专门化课程。他带着一批学生,把这个领域的最新成果从头讲起。1959年,他把讲稿整理成讲义,书名叫《非线性椭圆型方程与非线性抛物型方程理论选讲》,把当时国际上非线性偏微分方程研究最核心的框架写了出来。这标志着中国在这个领域追上了世界水平。
这段时间是周毓麟后来说的「非常幸福」的日子。看着学生从懵懂到开窍,他觉得做了一件真正有意义的事。
1960年5月的一个上午,这种状态结束了。
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05
那天上午,周毓麟上完课走出教室,走廊里站着一个人等他。
来传调令的。
上级决定调他参加一项国防工作,当天下午报到,地点是二机部所属的北京第九研究所。
周毓麟只问了一句:
「什么性质的工作?」
「保密工作。」
他没再问,回办公室把手头几份资料交给同事,交代几句,提起包,下午出门了。妻子当时身怀有孕,他安顿好家里,赶到九所报到。
到了那里,他才慢慢明白这是什么地方。
九所,正式名称是二机部第九研究所,中国核武器研究的理论中心。所里有个说法:二机部的核心在九所,九所的核心在理论部,理论部是「龙头的三次方」。
1945年美国在广岛和长崎投下原子弹,苏联随即加快核武器研制,1949年引爆第一颗原子弹,打破了美国的核垄断。朝鲜战争期间,美国多次以核武器威胁中国。1955年,中央决策层正式启动核武器研制计划。1957年,中苏签订国防新技术协定,苏联承诺提供技术援助。但到1960年,中苏关系急剧恶化,苏联单方面撤走了全部在华专家,带走了图纸和资料,留下了一堆烂摊子。
核武器研制必须自力更生。
中央从全国各高校和科研院所抽调专家,组建自己的核武器研究队伍。九所向上级提出了108个人的调动指标,最终包括周毓麟在内的105人服从了调令。
此时,邓稼先已率领一批年轻骨干在这里工作了将近两年。这支队伍由十六名应届大学毕业生组成,从北京大学、复旦大学、北京航空学院等高校挑选而来,平均年龄不到三十岁。两年来碰到数学难关,只能几个人凑在一起讨论,有时讨论一整夜也没有结果。
周毓麟是他们等来的第一个数学家。
朱建士、傅樱这些人,第一天见到他就把积压的问题拿出来问。周毓麟放下手头资料,坐下来,在纸上一步一步推,讲到哪里停一下,问:
「明白了吗?」
不明白,就再推一遍。
那时候他们跟着周毓麟学激波运动,学得很投入。傅樱的妻子那时怀孕,同事们开玩笑,说给未出世的孩子取名「周激波」,后来生下来是个女儿,名字没用上。
九所理论部有「八大主任」,邓稼先领衔,四位物理学家,四位数学家。四位数学家是:周毓麟、秦元勋、江泽培、何桂莲。
周毓麟和秦元勋有个奇特的巧合:两人同年同月同日生,调入九所前都研究过拓扑学和微分方程——一个研究点集拓扑,一个研究组合拓扑;一个研究常微分方程,一个研究偏微分方程。
性格上两人差得很远。秦元勋思维活跃,话多,走路快,一会儿一个新想法。周毓麟话少,每天准时八点到办公室,末班车才离开,回家后还工作到十二点。他的衬衫总是有棱有角没有褶皱,笔记本上的字工整得像印刷体,就连草稿纸也写得比别人誊清的还整齐。
年轻人私下传了一句话:
「跟着两个老周走,没有错。」
一个是周光召,一个是周毓麟。
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06
调入九所之前,理论部已在做一项关键工作:用数学方法模拟原子弹起爆后的物质运动过程。
原子弹爆炸的原理,是用炸药驱动内爆,把核材料压缩到临界状态,引发链式反应。这个过程中,炸药爆炸产生的冲击波从外向内传播,物质的压力、密度、速度在极短时间内剧烈变化。要设计出能正常起爆的原子弹,必须算清楚这个过程的每一个细节。
邓稼先把十六名年轻人分成三组:力学组、数学组、动态方程组。四台手摇计算器,后来换成半自动的电动计算器,三班倒轮流运算,用的方法叫「特征线法」——沿着特征线追踪物质运动的轨迹,一点一点算出整个过程。
计算从1960年初开始。第一次结果出来,整体过得去,但有一处对不上——炸药爆炸后内爆过程中产生的压力,算出来的数值,比苏联专家曾经提供的一个关键数据小了好几倍。
这个差距引发了严重的问题。
那个苏联数据的来历,要追溯到1957年。当年中苏签订国防新技术协定后,苏方派出三名高级别核武器专家来北京,做了一场报告。报告讲到中途,苏联专家突然宣布:不许记笔记。
在场的核物理专家钱三强把关键数据记在了脑子里。报告结束后,他凭记忆加上其他人的零散记录整理出来,其中就包括这个关于内爆压力的数字。
这个数字随后成了中国原子弹研制的重要参照。
但十六个人算了一遍又一遍,结果始终和这个数字对不上,差了好几倍。
到底是中国人算错了,还是苏联数据本身有问题?
第一次计算完成,发现差距,重新算。第二次,第三次,每次结果大同小异,差距仍在。计算进行到第九次,历时九个月,史称「九次计算」,结论始终悬而未决。
傅樱记得那段日子:所有人都绷着,三班倒,手摇计算器转个不停,算出来的一长串数字要逐个核对,核对完了发现还是对不上,从头再算。算错一个数字,整列结果都要重来。
九个月里,这十六个年轻人几乎没有休息日。
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07
九次计算的结果摆在那里,二机部党委研究了对策,决定另开一条路:让周毓麟带领计算组,用「差分法」来重算流体力学方程。
周毓麟接手了一道真正的死关。
流体力学方程难,难在它有「间断」。炸药爆炸产生的冲击波,使物质的压力和密度在极短距离内突然跳变,这在数学上叫间断。差分法的基本前提是函数连续,可以用离散的网格点来近似——遇到间断,网格计算直接崩溃。
特征线法可以追踪间断,但无法上机运算,只能人工手算,算一个模型要一个月。
周毓麟大范围调研,把所有能找到的计算数学文献翻了一遍,英文的、俄文的都看。
1960年底,他找到一本书:美国数学家R·D·里奇特迈尔写的《初值问题的差分方法》。这本书总结了美国研制原子弹时用到的计算方法,专门讨论了机器计算冲击波的问题,还涉及中子计算的内容。
他从头读到尾,在里面看到了冯·诺依曼提出的一个方法:「人为黏性法」。
这个方法的核心:冲击波的间断没法直接算,那就让它不间断。在方程里人为加入一个黏性项,给方程增加一点阻尼,让原来的间断解变得光滑,成为可以连续计算的抛物型方程。抛物型方程有光滑解,差分法可以处理,机器可以运算。
关键在于那个人为加进去的黏性项系数——太大会改变整个解的物理性质,太小效果不够,解还是不光滑。
周毓麟对这个方法的把握,来自他在莫斯科大学研究抛物型方程多年积累的理论基础。他清楚怎么控制系数,清楚加进去之后解的性质如何变化,清楚误差会落在什么范围里。
他召集组里的人开会,在黑板上写出这个方法的原理:
「计算冲击波,解有间断,机器算不了。加上一个系数,变成抛物型方程。抛物型方程有光滑解,就能算了。」
有人问:「加进去的这一项,会不会影响结果?」
「会有影响,但可以控制。系数选得合适,误差在允许的范围内。」
「怎么确定系数合适?」
「算出来,跟手算的结果对比,误差落在多少范围内,自己看得出来。」
会散了,开始编程序。程序编好,上机调试。
这是九所第一次把流体力学方程放上计算机算。之前九次计算全靠手摇计算器,算一个模型要一个月,参数能改的有限。上机之后,几个小时出一个结果,参数可以反复调整。
调试完成,程序跑出结果。
和九次手算的结果对比,误差在5%左右。5%的精度,在数值模拟里是可靠的结果。
消息传到还在三班倒的傅樱那边,他在计算器前停下来,盯着这个数字看了一会儿——第一次觉得这条路走得通。
08
程序可靠,但问题还没有解决。
中国算出来的数据,和苏联专家那个数字,还是对不上。
九次计算用特征线法,周毓麟用差分法,两种完全不同的方法,结果却相近。这在数学上说明一件事:中国的计算方向没有根本错误。
但这两套结果,都比苏联的数字小了好几倍。
差这么多,只剩一种可能:
苏联那个数字本身有问题。